La próxima generación de heteroestructuras 2D-2D covalentes

Unos científicos han unido estructuras 2D de disulfuro de molibdeno (MoS2) y grafeno utilizando por primera vez un velcro molecular: una conexión covalente. Las estructuras 2D-2D se utilizaron para construir robustos transistores de efecto campo (FET) con control sobre la comunicación electrónica, naturaleza química de la interfase y distancia entre las capas. Las propiedades electrónicas del sistema están dominadas por la interfase de las dos capas de materiales, unidos covalentemente.

El logro es obra de un grupo de investigadores de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM) y el Instituto IMDEA Nanociencia, en España ambas entidades.

El método más extendido para la síntesis de heteroestructuras 2D-2D es el crecimiento directo de materiales, uno encima del otro. Las estructuras 2D son materiales en capas atómicamente delgadas, de unos pocos átomos de espesor, que se pueden apilar para construir heteroestructuras funcionales. En tales estructuras construidas por deposición atómica, las capas 2D están débilmente unidas por las interacciones de Van der Waals y se pueden desmontar al someterse a algunos disolventes o procesos térmicos. La falta de control sobre la interfase de los dos materiales, en términos de comunicación electrónica, naturaleza química o distancia entre capas impide la construcción de dispositivos robustos.

El equipo liderado por Enrique Burzurí y Emilio M. Pérez en IMDEA Nanociencia (Madrid, España) ha conectado por primera vez capas de materiales 2D: MoS2 y grafeno. El equipo ha utilizado las herramientas de la química sintética para coser varios copos de MoS2 a dispositivos de grafeno de una sola capa, utilizando una molécula bifuncional con dos puntos de anclaje. Los resultados muestran que las propiedades electrónicas finales de la heteroestructura están dominadas por la interfase molecular.

La combinación de las propiedades semiconductoras del dicalcogenuro de metales de transición MoS2 con la alta movilidad portadora del grafeno es particularmente atractiva para las aplicaciones. El grupo construyó transistores de efecto de campo (FET) para probar las propiedades eléctricas de la estructura. Y se constató una modificación en la característica de voltaje de puerta, con un cambio del cono de Dirac hacia voltajes positivos y una reducción de la corriente al mínimo. Esta supresión de corriente en el grafeno se asocia inequívocamente a la interrupción de la hibridación sp2 en sp3 debido a la formación de enlaces covalentes. Un experimento de control con MoS2 prístino suspendido sobre grafeno no mostró cambios significativos en la intensidad de la banda D. Curiosamente, la movilidad del portador de carga se conserva después de la funcionalización y la formación de enlaces covalentes entre MoS2 y el grafeno, siendo el grado de dopaje de grafeno controlable a través del grado de funcionalización.

Las estructuras 2D de MoS2 están conectadas al grafeno mediante un enlace covalente. (Imagen: Patricia Bondía)

La fabricación de estas heteroestructuras covalentes 2D-2D es relativamente fácil. Un sustrato de silicio que contenía una lámina de grafeno se sumergió en una suspensión de MoS2 funcionalizado en agua a 35 grados centígrados. Dos horas de funcionalización fueron suficientes para promover la unión covalente en la mayoría de los sitios de grafeno. A fin de confirmar la funcionalización covalente, se realizó espectroscopia Raman para rastrear la transformación de átomos de carbono sp2 del grafeno a sp3 como indicación de la formación de un nuevo enlace C-C.

Burzurí, Pérez y sus colegas exponen los detalles técnicos de su avance en la revista académica Nature Chemistry, bajo el título “Fabrication of devices featuring covalently linked MoS2–graphene heterostructures”. (Fuente: IMDEA Nanociencia / UAM)